CATEGORII DOCUMENTE
Afaceri Calculatoare Casa masina Didactica pedagogie Diverse Educatie Finante Geografie Istorie & politica Legislatie Limba Management Sanatate Tehnologie

Bulgara	Ceha slovaca	Croata	Engleza	Estona	Finlandeza	Franceza
Germana	Italiana	Letona	Lituaniana	Maghiara	Olandeza	Poloneza
Sarba	Slovena	Spaniola	Suedeza	Turca	Ucraineana

įstatymai	įvairių	Apskaitos	Architektūra	Biografija	Biologija	Botanika	Chemija
Ekologija	Ekonomika	Elektra	Finansai	Fizinis	Geografija	Istorija	Karjeros
Kompiuteriai	Kultūra	Literatūra	Matematika	Medicina	Politika	Prekyba	Psichologija
Receptus	Sociologija	Technika	Teisė	Turizmas	Valdymas	vietimas

ĮVAIRIALYTĖS SANDŪROS. MDP DARINIAI

elektra

+ Font mai mare | - Font mai mic


DOCUMENTE SIMILARE

ĮVAIRIALYTĖS SANDŪROS. MDP DARINIAI

Puslaidininkiniuose įtaisuose naudojamos vienalytės pn sandūros, įvairialytės pn sandūros, metalo-puslaidininkio, metalo-dielektriko-puslaidininkio (MDP), metalo-oksido-puslaidininkio (MOP) ir kiti dariniai. iame skyriuje ap˛velgsime reikinius įvairialyčių med˛iagų sandūrose ir įvairialyčių kontaktų bei puslaidininkių pavirinių sluoksnių savybes. Kontaktiniai reikiniai svarbūs, kai srovė teka statmena sandūroms kryptimi ir kerta sandūros pereinamąjį sluoksnį. Paviriniai reikiniai svarbūs, kai srovė teka paviriniu sluoksniu – lygiagrečiai paviriui.

1. Metalo-puslaidininkio sandūros

Metalo-puslaidininkio kontaktas buvo panaudotas pirmuosiuose puslaidininkiniuose dioduose. Dabar pasi˛yminčios vienakrypčiu laidumu metalo-puslaidininkio sandūros taikomos didelės veikimo spartos ir kituose puslaidininkiniuose įtaisuose. Be to, visuose puslaidininkiniuose įtaisuose reikalingi pasi˛ymintieji ma˛a var˛a ominiai metalo-puslaidininkio kontaktai.

Inagrinėkime reikinius metalo-puslaidininkio sandūrose ir isiaikinkime, kas lemia metalo-puslaidininkio sandūrų savybes.

1.1. Elektronų ilaisvinimo darbas

Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės priklauso nuo elektrono ilaisvinimo darbo i metalo, ilaisvinimo darbo i puslaidininkio ir kitų puslaidininkio savybių.

Metale laisvąjį elektroną veikia aplinkiniai krūviai, tačiau atstojamoji jėga praktikai lygi nuliui. Jei elektronas tolsta nuo metalo bandinio, iame bandinyje lieka nesukompensuotas teigiamas jonas ir atsiranda elektrinės traukos jėga, trukdanti elektronui nutolti (1 pav., a). Dėl ios jėgos veikimo itrūkdamas i metalo bandinio elektronas turi įveikti potencialo barjerą. Taigi laisviesiems elektronams bandinys yra potencialo duobė.

Potencialo duobė, kurioje yra metalo bandinio laidumo juostos elektronai atvaizduota 1 paveiksle, b. Jame nuliniu energijos lygmeniu laikomas lygmuo, kurį u˛imtų vakuume toli nuo bandinio esantis nejudantis elektronas. Ilėkdamas i metalo, elektronas turi įveikti ilaisvinimo barjerą, kurio auktis priklauso nuo to, kokį energijos lygmenį u˛ima tas elektronas. Vidutinis darbas , kurį turi atlikti elektronas itrūkdamas i metalo, yra lygus energiniam atstumui tarp Fermio lygmens ir nulinio energijos lygmens. Jis vadinamas termodinaminiu ilaisvinimo darbu, arba tiesiog ilaisvinimo darbu.

Puslaidininkio bandinio elektronai taip pat yra potencialo duobėje (1 pav., c). Neisigimusio puslaidininkio Fermio lygmuo yra draud˛iamojoje juostoje. Energija, kurios reikia, kad i puslaidininkio bandinio ilėktų elektronas, esantis laidumo juostos dugne, yra vadinama elektroniniu giminikumu. Tačiau i puslaidininkio bandinio gali ilėkti arba laidumo, arba valentinės juostos elektronai. Taigi ilaisvinimo darbas skiriasi nuo elektroninio giminikumo. Laidumo juostos elektronas sutinka ˛emesnį potencialo barjerą nei valentinės juostos elektronas. Tačiau valentinėje juostoje yra daugiau elektronų nei laidumo juostoje. Isamesnė analizė rodo, kad elektronų, itrūkstančių i puslaidininkio valentinės ir laidumo juostų, santykis yra toks, kad vidutinis darbas, kurį turi atlikti ilekiantis elektronas, taip pat lygus energiniam atstumui tarp nulinio energijos lygmens ir Fermio lygmens. Taigi .

1.2. Reikiniai metalo ir puslaidininkio sandūrose

Prad˛ioje aptarkime metalo ir n puslaidininkio sandūrą tuo atveju, kai elektrono ilaisvinimo i metalo darbas darbas didesnis u˛ elektrono ilaisvinimo i puslaidininkio darbą . 2 paveiksle atvaizduoti dar nesujungti metalo ir puslaidininkio bandiniai ir jų energijos lygmenų diagramos. Kadangi >, tai puslaidininkio Fermio lygmuo auktesnis u˛ metalo Fermio lygmenį.

Sujungus badinius (3 pav.), elektronai i puslaidininkio, kuriame Fermio lygmuo auktesnis, pereina į metalą, kur Fermio lygmuo ˛emesnis. Itrūkus i puslaidininkio elektronams, sandūroje susidaro nuskurdintasis puslaidininkio sluoksnis, pasi˛ymintis didesne savitąja var˛a. iame sluoksnyje lieka nesukompensuoti teigiami donorų jonai. Tarp jų ir perėjusių į metalą bei susitelkusių ploname sluoksnyje elektronų susidaro vidinis elektrinis laukas, stabdantis kitų n srities elektronų judėjimą į metalą.

Nusistojus pusiausvyrai, metalo ir puslaidininkio Fermio lygmenys susilygina. U˛ sluoksnio, kuriame veikia elektrinis laukas, ribų metalo ir puslaidininkio energijos lygmenų padėtis Fermio lygmens at˛vilgiu lieka nepakitusi. Puslaidininkio sluoksnyje, kur veikia elektrinis laukas, energijos juostos ilinksta, ir kontakto srityje tarp puslaidininkio ir metalo susidaro potencialo barjeras, kurio auktis ; čia – kontaktinis potencialo skirtumas tarp puslaidininkio ir metalo.

Dėl energijos juostų ilinkimo pereinamajame sluoksnyje padidėja nuotolis tarp lygmenų ir . Fermio lygmuo priartėja prie draud˛iamosios juostos vidurio (3 pav.). Nesunku įsitikinti, kad, esant didesniam ilaisvinimo darbų skirtumui, energijos juostos tiek ilinktų, kad Fermio lygmuo prie kontakto atsidurtų ˛emiau draud˛iamosios juostos vidurio. Tada kontakto srityje susidarytų inversinis sluoksnis, kuriame skylių koncentracija būtų didesnė u˛ elektronų koncentraciją. Atsiradus inversiniam p sluoksniui, metalo ir n puslaidininkio sandūroje susidarytų pn sandūra.

Taigi tuo atveju, kai >, metalo ir n puslaidininkio sandūroje susidaro nuskurdęs didelės var˛os sluoksnis, vadinamas u˛tvariniu sluoksniu arba net inversinis skylinio laidumo puslaidininkio sluoksnis ir pn sandūra.

Jeigu elektrono ilaisvinimo i metalo darbas ma˛esnis u˛ elektrono ilaisvinimo i n puslaidininkio darbą, sudarius metalo-puslaidininkio sandūrą, elektronai i metalo pereina į puslaidininkį. Tada sandūroje susidaro puslaidininkio sluoksnis su padidinta pagrindinių krūvininkų – elektronų – koncentracija (4 pav.). Padidėjus elektronų koncentracijai, laidumo juostos dugnas priartėja prie Fermio lygmens (4 pav., b).

Nagrinėdami metalo ir p puslaidininkio sandūrą, galėtume įsitikinti, kad nuskurdintasis ar net inversinis sluoksnis susidaro, kai . Jeigu , sandūroje susidaro laidus praturtintasis sluoksnis.

1.3. Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės

Metalo-puslaidininkio sandūroje susidaręs u˛tvarinis sluoksnis pasi˛ymi ventilio savybėmis. Paprasčiausią tokios sandūros teoriją 1938 metais sukūrė V. otkis (Schottky). U˛tvariniame sluoksnyje susidarantis potencialo barjeras dabar vadinamas otkio barjeru.

Kai iorinė įtampa neveikia, įveikiantieji potencialo barjerą elektronai, sukuria nedidelį srautą i puslaidininkio į metalą (5 pav.). Dėl vidinio elektrinio lauko susikuria dreifinis elektronų srautas i metalo į puslaidininkį. Pusiausvyros būsenoje paminėti srautai kompensuoja vienas kitą ir pilnutinės srovės per sandūrą stipris lygus nuliui.

Jeigu prie metalo ir puslaidininkio darinio prijungiama iorinė įtampa, kurios teigiamas polius prijungtas prie n srities, o neigiamas polius – prie metalo, tai puslaidininkio potencialas pakyla, jame esančių elektronų potencinė energija suma˛ėja, ir puslaidininkio energijos lygmenys pasislenka ˛emyn (6 pav.). Iorinė įtampa krinta didelės var˛os nuskurdintajame sluoksnyje, ir auktis potencialo barjero, kurį sutinka elektronai, pereinantieji i puslaidininkio į metalą, padidėja. Taigi aptariamo polikumo įtampa yra atgalinė įtampa. Pradėjus veikti iorinei įtampai, auktis barjero, kurį sutinka elektronai, judėdami i metalo į puslaidininkį, nepakinta. Todėl susilpnėjus elektronų srautui i puslaidininkio į metalą, per sandūrą teka tik silpnas srautas i metalo į puslaidininkį. (6 pav., a).

5.7 pav. Metalo ir puslaidininkio darinys su u˛tvariniu sluoksniu, veikiant tiesioginei įtampai

Jeigu prie sandūros prijungiama tiesioginė įtampa, puslaidininkio potencialas metalo at˛vilgiu suma˛ėja, puslaidininkio srities elektronų potencinė energija padidėja, ir puslaidininkio energijos lygmenys pakyla (7 pav.). Ma˛ėjant aukčiui potencialo barjero, kurį sutinka elektronai, pereinantieji i puslaidininkio į metalą, eksponentikai stiprėja elektronų i puslaidininkio į metalą srautas.

Įrodoma, kad srovės, tekančios per metalo-puslaidininkio sandūros u˛tvarinį sluoksnį, stiprio priklausomybė nuo įtampos ireikiama formule:

; (1)

čia , – sandūros plotas.

i iraika sutampa su idealios pn sandūros voltamperinės charakteristikos iraika. Ir vis dėlto kai kurie reikiniai metalo-puslaidininkio sandūroje i esmės skiriasi nuo reikinių pn sandūros aplinkoje. Labai svarbu tai, kad, tekant per metalo ir puslaidininkio sandūros u˛tvarinį sluoksnį tiesioginei srovei, nevyksta alutinių krūvininkų injekcija ir kaupimas. Perėję i n puslaidininkio į metalą elektronai lieka pagrindiniais krūvininkais. i aplinkybė lemia geras metalo-puslaidininkio sandūros da˛nines savybes, didelę veikimo spartą ir taikymą mikrobangų įtaisuose.

Dar svarbu pastebėti, kad metalo-puslaidininkio sandūros slenkstinė įtampa, kuriai veikiant sandūra atsiveria, yra ma˛esnė nei pn sandūrų slenkstinės įtampos.

Metalo-puslaidininkio sandūros su otkio barjerais da˛nai taikomos puslaidininkiniuose įtaisuose. Kita vertus, tenka pastebėti, kad dėl metalo-puslaidininkio sandūrų savybių kyla keblumų, kuriant puslaidininkinius įtaisus. Reikalas tas, kad puslaidininkio ir metalinių ivadų kontaktai turi būti ominiai – jų var˛os turi būti ma˛os, o voltamperinės charakteristikos tiesinės.

Kai >, siekiant suma˛inti metalo ir n puslaidininkio kontakto srityje susidarantį u˛tvarinį barjerą, puslaidininkio sluoksnis po kontaktu papildomai legiruojamas donorinėmis priemaiomis. Tokio kontakto sandara ir energijos lygmenų diagrama atvaizduotos 8 paveiksle. I energijos lygmenų diagramos matyti, kad, sudarius n+ sluoksnį, galima pasiekti, kad pereinantieji i n puslaidininkio į metalą elektronai nesutiktų barjero.

Silicio integrinių grandynų elementų jungiamieji laidininkai – laidieji takeliai – da˛nai daromi i aliuminio. Aliuminis, kaip ˛inome, yra akceptorinė priemaia. Todėl, sudarant aliuminio takelių kontaktus su puslaidininkio p sritimis, jokių komplikacijų nekyla. Įdeginant kontaktus, aliuminio atomai difunduoja į puslaidininkį, kontakto srityje susidaro papildomai legiruotas akceptorinėmis priemaiomis sluoksnis, pasi˛ymintis dideliu laidumu, ir gaunamas geras ominis kontaktas.

Prasiskverbus aliuminio atomams į n sritį, galėtų susidaryti didesnės var˛os sluoksnis, kuriame efektinė donorinių priemaių koncentracija ma˛esnė, arba net p laidumo sritis ir pn sandūra. Siekiant to ivengti, n sritis po būsimuoju silicio kontaktu su aliuminio ivadu papildomai legiruojama donorinėmis priemaiomis, kurių koncentracija gerokai virija maksimalų aliuminio tirpumą silicyje. Susidaręs n sluoksnis pasi˛ymi isigimusio puslaidininkio – pusmetalio – savybėmis. Jo laidumas lieka didelis net į jį prasiskverbus aliuminio atomams.

1 u˛duotis

Sandūra sudaryta tarp metalo ir n puslaidininkio. Elektronų ilaisvinimo i metalo darbas – 1,4 eV, ilaisvinimo i puslaidininkio darbas – 1 eV. Prijungus tarp puslaidininkio ir metalo sričių 0,4 V įtampą, 300 K temperatūroje teka 0,1 mA srovė. Koks būtų srovės stipris, pakeitus įtampos polikumą?

Sprendimas

Kadangi elektronų ilaisvinimo i n puslaidininkio darbas ma˛esnis nei ilaisvinimo i metalo darbas, sandūroje susidaro otkio barjeras ir jos voltamperinė charakteristika ireikiama (1) formule. Įtampa, kurios teigiamas polius prijungtas prie n srities, o neigiamas – prie metalo, yra atgalinė įtampa. Tada 0,1 mA srovė yra soties srovė, ir stiprį srovės, kuri tekėtų pakeitus įtampos polikumą, galime rasti pagal (1) formulę:

2. Įvairialytės sandūros

Yra puslaidininkių, kurių kristalinių gardelių konstantos beveik vienodos ir kurių kristalizacija vyksta panaiai. Tada jie gali būti auginami vienas ant kito ir sudaryti vieną kristalą. Tačiau skirtingų puslaidininkinių med˛iagų sandūroje kinta draud˛iamosios juostos plotis, elektroninis giminikumas, elektronų ilaisvinimo darbas, dielektrinė skvarba ir kitos med˛iagų savybės. Tarp tokių med˛iagų susidaro įvairialytės sandūros, arba heterosandūros.

Kiekvienas įvairialytės sandūros puslaidininkis gali būti legiruotas donorinėmis ar akceptorinėmis priemaiomis. Todėl galimi keturi įvairialyčių sandūrų tipai: nN, pP, nP ir pN. Čia did˛iosios raidės ˛ymi platesnės draud˛iamosios juostos, ma˛osios – siauresnės draud˛iamosios juostos puslaidininkį.

Imkime GaAs ir GaAlAs. GaAs draud˛iamosios juostos plotis ma˛esnis, elektroninis giminikumas didesnis. 9 paveiksle atvaizduotos N, n bandinių ir Nn darinio energijos lygmenų diagramos. Kaip matyti i 9 paveikslo, b, Nn sandūroje elektronams gali susidaryti potencialo barjeras, ir gali reiktis staigios Nn sandūros voltamperinės charakteristikos netiesikumas. Tačiau praktikoje GaAs-GaAlAs sandūroje susidaro ominis kontaktas, nes sandūra da˛niausiai nebūna idealiai staigi. Gi, jeigu yra pereinamasis GaAs-GaAlAs sluoksnis, kuriame kinta aliuminio koncentracija, energijos lygmenys sandūroje kinta nuosekliai, be trūkių, kaip atvaizduota brūknine linija (9 pav., b).

Np sandūros juostinis modelis panaus į vienalytės np sandūros juostinį modelį: elektronams ir skylėms susidaro potencialo barjerai (10 pav.). Tiesa, būtina pastebėti ir esminį skirtumą – įvairialytėje sandūroje potencialo barjerai elektronams ir skylėms yra nevienodo aukčio.

Įvairialyčių sandūrų eksperimentines voltamperines charakteristikas galima aproksimuoti iraika:

; (2)

čia – soties srovė; – koeficientas, priklausomas nuo sandūros tipo ir temperatūros (1<<3).

Kadangi potencialo barjerų aukčiai elektronams ir skylėms nevienodi, tiesioginę įvairialytės sandūros srovę lemia krūvininkai, kuriems potencialo barjero auktis ma˛esnis. Kai potencialo barjeras ˛emesnis elektronams, jų injekcijos i N srities į p sritį efektyvumas ireikiamas formulėmis:

; (3)

; (4)

čia ir – elektroninės ir skylinės srovių tankiai; ir - elektronų ir skylių difuzijos koeficientai p ir N srityse; ir – elektronų ir skylių difuzijos nuotoliai p ir N srityse; ir – donorinių ir akceptorinių priemaių koncentracijos; – efektinis lygmenų tankis laidumo (i=c) ir valentinėje (i=v) juostose N () ir p () srityse; – laidumo elektronų efektinė masė laidumo juostoje (i=c) ir skylių koncentracija valentinėje juostoje (i=v) N ir p srityse; ir – N ir p sričių puslaidininkių draud˛iamųjų juostų pločiai; h – Planko konstanta.

GaAs ir Ga_0,7Al_0,3As (čia trupmenos ˛ymi galio ir aliuminio atomų skaičiaus ir visų trivalenčių atomų skaičiaus santykį) draud˛iamųjų juostų pločiai skiriasi apie 0,37 eV. Tada 300 K temperatūroje eksponentinis daugiklis (4) formulėje yra apie 6 10⁷. Todėl elektroninės ir skylinės srovių per įvairialytę sandūrą santykį lemia potencialo barjerų elektronams ir skylėms aukčiai, o ne darinio sričių legiravimas.

Įvairialytės sandūros naudojamos mikrobangų, optinės elektronikos ir kituose puslaidininkiniuose įtaisuose.

3. MDP dariniai

Tarkime, kad ant monokristalinio puslaidininkio sluoksnio buvo sudarytas dielektriko sluoksnis, o ant jo – metalinis elektrodas. Toks darinys (11 pav., a) vadinamas MDP (metalo-dielektriko-puslaidininkio) dariniu.

Sakykime, kad prie puslaidininkio ir metalo prijungti ivadai, kuriais prie MDP darinio gali būti prijungta iorinė įtampa, o. puslaidininkis yra n tipo. Dar, kad būtų paprasčiau isiaikinti reikinių MDP darinyje esminius bruo˛us, tarkime, kad elektrono ilaisvinimo darbas i metalo toks pat kaip elektrono ilaisvinimo i puslaidininkio darbas.

11 paveiksle, b, atvaizduota MDP darinio energijos lygmenų diagrama, kai iorinė įtampa neprijungta. Dielektriko sluoksnio draud˛iamoji juosta – plati ( yra dielektriko laidumo juostos dugnas), todėl metalo ir puslaidininkio elektronus skiria auktas potencialo barjeras, ir MDP darinys yra savotikas kondensatorius.

Prijungta prie MDP darinio iorinė įtampa krinta dielektriko sluoksnyje ir paviriniame puslaidininkio sluoksnyje. Pradėjus veikti iorinei įtampai atsiradęs elektrinis laukas gali pakeisti alia dielektriko esančio puslaidininkio pavirinio sluoksnio laidumą – gali susidaryti praturtintasis, nuskurdintasis ar net inversinis puslaidininkio sluoksnis.

Prijungus prie MDP darinio 12 paveiksle, a, parodyto polikumo įtampą (>0), metalinis elektrodas įsikrauna teigiamai. Teigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia neigiamus elektronus. Todėl paviriniame puslaidininkio sluoksnyje padidėja elektronų koncentracija. Kadangi elektrinis laukas iek tiek prasiskverbia ir į puslaidininkį, prie paviriaus jo energijos juostos ilinksta (12 pav., b). Didėjant veikiančiai įtampai, paviriniame sluoksnyje didėja pagrindinių krūvininkų – elektronų – koncentracija, ir didėja io sluoksnio elektrinis laidumas.

Puslaidininkio sluoksnio, į kurį prasiskverbia elektrinis laukas ir kuris pasi˛ymi padidėjusiu laidumu, storį galima rasti sprend˛iant Puasono lygtį. Taip įrodoma, kad pavirinio sluoksnio potencialas ireikiamas formule:

; (6)

čia – puslaidininkio potencialas, – potencialo pokytis paviriniame puslaidininkio sluoksnyje, – koordinatė (12 pav., a), – Debajaus (Debye) ekranavimo nuotolis, ireikiamas formule

; (7)

čia – puslaidininkio dielektrinė skvarba, – elektronų koncentracija ().

I (6) ir (7) formulių aiku, kad Debajaus ekranavimo nuotolis ir padidėjusio laidumo sluoksnio storis priklauso nuo pagrindinių krūvininkų koncentracijos. Galima apskaičiuoti, kad priemaiiniuose puslaidininkiuose Debajaus ekranavimo nuotolis esti nanometrų eilės. Vadinasi, į priemaiinius puslaidininkius nagrinėjamos krypties elektrinis laukas įsiskverbia labai negiliai ir padidėjusio laidumo sluoksnis yra labai plonas. Dar svarbu pastebėti, kad io sluoksnio storis nepriklauso nuo įtampos.

Pakeitus iorinės įtampos polikumą (13 pav., a), metalinis elektrodas įsikrauna neigiamai. Jo neigiamas elektros krūvis stumia nuo puslaidininkio vidinio paviriaus pagrindinius krūvininkus – elektronus. Ma˛ėjant pagrindinių krūvininkų koncentracijai, prie paviriaus susidaro nuskurdintasis sluoksnis. Kylant įtampai, jis storėja.

Kadangi nuskurdintajame sluoksnyje lieka nesukompensuoti donorų jonai, erdvinio krūvio tankis iame sluoksnyje ireikiamas formule . Atsi˛velgę į tai ir isprendę Puasono lygtį arba pasinaudoję (4.43) lygtimi, galime gauti, kad nuskurdintojo sluoksnio storis ireikiamas formule:

. (8)

Taikydami (8) formulę, galime įsitikinti, kad nuskurdintojo sluoksnio storis esti daug kartų didesnis u˛ Debajaus ekranavimo nuotolį ir, didėjant iorinei įtampai, didėja.

Nuskurstant paviriniam puslaidininkio sluoksniui, jo laidumas ma˛ėja. Taip pat svarbu, kad neigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia prie puslaidininkio paviriaus skyles ir, ma˛ėjant pagrindinių krūvininkų – elektronų – koncentracijai , didėja skylių koncentracija , nes . Kai skylių ir elektronų koncentracijos susilygina, pavirinis puslaidininkio laidumas tampa minimalus – kaip grynojo puslaidininkio. Toliau kylant įtampai, didėjantis metalinio elektrodo neigiamas krūvis dar labiau stumia elektronus ir traukia skyles. Kai įtampa virija slenkstinę, skylių koncentracija tampa didesnė u˛ elektronų koncentraciją ir prie puslaidininkio paviriaus susidaro inversinis skylinio laidumo sluoksnis. io sluoksnio storis apytikriai lygus Debajaus ekranavimo nuotoliui. Kylant įtampai, skylių koncentracija inversiniame sluoksnyje didėja, todėl didėja ir puslaidininkio pavirinis laidumas.

Puslaidininkio pavirinio laidumo priklausomybė nuo įtampos atvaizduota 14 paveiksle, a. Kai >0, kylant įtampai, paviriniame puslaidininkio sluoksnyje didėja pagrindinių krūvininkų koncentracija (12 pav., a), ir pavirinis laidumas didėja. Kai <0, kylant įtampai, paviriniame puslaidininkio sluoksnyje pagrindinių krūvininkų koncentracija ir jo laidumas ma˛ėja. Kai įtampa pasiekia slenkstinę, elektronų ir skylių koncentracijos susilygina. Po to, didėjant įtampai, pavirinis laidumas didėja, nes susidariusiame inversiniame sluoksnyje didėja skylių koncentracija.

Krūvininkų koncentracijos ir puslaidininkio pavirinio laidumo kitimas, kintant statmenam puslaidininkio paviriui elektriniam laukui, vadinamas lauko efektu, arba lauko reikiniu. Lauko efektu pagrįstas lauko tranzistorių veikimas.

MDP darinio, kaip kondensatoriaus, talpa priklauso nuo iorinės įtampos (14 pav., b). Kai veikia įtampa (12 pav., a), kuri praturtina pavirinį puslaidininkio sluoksnį, kondensatoriaus dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis, kurio storis (15 pav., a).

Jeigu veikia įtampa (13 pav., a), kuri skurdina pavirinį puslaidininkio sluoksnį, dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis kartu su nuskurdintuoju puslaidininkio sluoksniu, kurio storis (15 pav., b). Didėjant įtampai, nuskurdintasis sluoksnis storėja, didėja atstumas tarp kondensatoriaus elektrodų, ir MDP darinio talpa ma˛ėja. Susidarius inversiniam sluoksniui, tarp dielektriko sluoksnio ir nuskurdintojo sluoksnio atsiranda plonas laidus sluoksnis, ir MDP darinį galima nagrinėti kaip du nuosekliai sujungtus kondensatorius (15 pav., c). Atsiradus inversiniam sluoksniui ir kylant įtampai, didėja krūvininkų krūvis inversiniame sluoksnyje, elektrinis laukas nuskurdintajame sluoksnyje nebestiprėja, is sluoksnis nebesiplečia (), todėl MDP darinio talpa nebekinta.

Tenka pastebėti, kad 14 paveiksle, b, itisine linija atvaizduotą MDP darinio voltfaradinę charakteristiką eksperimentikai galima gauti, kai matavimo grandinėje kintamosios įtampos da˛nis yra pakankamai auktas (virija imtus kilohercų) ir virpesių periodas trumpesnis u˛ alutinių krūvininkų gyvavimo trukmę. Jeigu da˛nis ˛emas, inversiniame sluoksnyje elektrinis krūvis spėja kisti, veikiant kintamajai įtampos dedamajai. Tada kintamasis elektrinis laukas į nuskurdintąjį sluoksnį neprasiskverbia, ir MDP darinio talpą lemia dielektriko storis. Tuo atveju gaunama MDP darinio voltfaradinė charakteristika, atvaizduota 14 paveiksle, b, brūknine linija.

Analogiki reikiniai gali vykti metalo, dielektriko ir p puslaidininkio dariniuose, tik atitinkami sluoksniai susidaro veikiant prieingo polikumo įtampoms. Bendra taisyklė tokia: praturtintasis sluoksnis susidaro, kai prie metalinio elektrodo prijungto įtampos poliaus ˛enklas prieingas puslaidininkio pagrindinių krūvininkų krūvio ˛enklui; nuskurdintasis ar inversinis sluoksnis susidaro, kai metalinio elektrodo elektros krūvis toks, kad jis stumia pagrindinius puslaidininkio krūvininkus ir traukia alutinius krūvininkus.

Kai puslaidininkis yra silicis, dielektriko vaidmenį MDP dariniuose da˛niausiai atlieka silicio dioksido SiO₂ sluoksnis, sudaromas oksiduojant puslaidininkio pavirių. Todėl tokie dariniai vadinami MOP dariniais.

4. Paviriniai reikiniai

Pavirinius reikinius gali sukelti ne tik elektrinis laukas. Puslaidininkio kristalo paviriuje nutrūksta kristalinės gardelės periodikumas. Be to, kristalo pavirių veikia aplinka. Jis gali adsorbuoti kitų med˛iagų atomus.

J. Tamas (Тамм) dar 1933 metais įrodė, jog dėl to, kad kristalinė gardelė prie paviriaus nutrūksta, atsiranda pavirinės būsenos ir energijos lygmenys, kurių puslaidininkio tūryje nėra. Idealaus kristalo paviriniai lygmenys dabar vadinami Tamo lygmenimis. Realių kristalų paviriniai lygmenys susidaro dėl adsorbuotų atomų bei kristalinės gardelės defektų (vakansijų, dislokacijų). ie lygmenys gali atlikti donorų, akceptorių, elektronų ir skylių rekombinacijos ir prilipimo centrų vaidmenį. Todėl paviriniai lygmenys gali smarkiai pakeisti krūvininkų koncentraciją, judrumą ir pavirinio sluoksnio laidumą.

Sakykime, kad n puslaidininkyje yra donorinių lygmenų. Vidutinių temperatūrų srityje donorai yra jonizuoti. Donorų jonai paviriuje sudaro teigiamą krūvį (16 pav., a), kurio sukeltas elektrinis laukas traukia link paviriaus elektronus. Dėl elektrinio lauko energijos juostos prie kristalo paviriaus ilinksta. Padidėjus pagrindinių krūvininkų koncentracijai, padidėja pavirinio sluoksnio laidumas.

Kitokia yra akceptorių sukelto neigiamo pavirinio krūvio įtaka n puslaidininkiui (7.16 pav., b). Neigiamas krūvis stumia pagrindinius krūvininkus – elektronus – ir traukia alutinius krūvininkus – skyles. Prie paviriaus energijos juostos ilinksta taip, kad energinis atstumas tarp laidumo juostos dugno ir Fermio lygmens padidėja. Paviriniam krūviui didėjant, elektronų koncentracija paviriniame sluoksnyje ma˛ėja, skylių koncentracija didėja, energijos juostos labiau ilinksta ir prie paviriaus gali net pasikeisti puslaidininkio laidumo tipas – gali susidaryti inversinis p sluoksnis.

p puslaidininkio paviriuje susidaręs neigiamas pavirinis krūvis padidina skylių koncentraciją paviriniame puslaidininkio sluoksnyje. Teigiamas pavirinis krūvis sukuria nuskurdintąjį ar net inversinį sluoksnį.

Paviriniai reikiniai gali pakeisti puslaidininkinių įtaisų savybes. Siekdami iliustruoti į teiginį, aptarkime pavirinį pn sandūros pramuimą.

Sakykime, kad pn sandūra yra staigi ir nesimetrinė. Jos p srityje akceptorinių priemaių koncentracija daug ma˛esnė u˛ donorinių priemaių koncentraciją n srityje. Tada pn sandūros storis p srityje daug didesnis u˛ jos storį n srityje (17 pav., a). Susidarius puslaidininkio paviriuje neigiamam paviriniam krūviui, p srities paviriniame sluoksnyje padidėja skylių koncentracija, ir pn sandūros storis prie p srities paviriaus suma˛ėja (17 pav., b). n sričiai, kur priemaių koncentracija didelė, pavirinis krūvis neturi ˛ymesnės įtakos.

Prie paviriaus suma˛ėjus pn sandūros storiui, ji pramuama, veikiant ma˛esnei atgalinei įtampai. Pramuimas prasideda prie puslaidininkio paviriaus.

Paviriaus u˛tertumo įtakos puslaidininkių savybėms ir pavirinių reikinių negalima pamirti kuriant ir gaminant integrinius grandynus ir kitus puslaidininkinius įtaisus.

Ivados

Laisviesiems elektronams kietasis kūnas yra potencialo duobė. Vidutinis darbas A, kurį turi atlikti elektronas, itrūkdamas i metalo ar puslaidininkio bandinio, yra lygus ; čia yra toli nuo bandinio esančio ir nejudančio elektrono energija. Darbas A vadinamas termodinaminiu ilaisvinimo darbu.

Jeigu sandūra sudaroma tarp metalo ir n puslaidininkio ir elektronų ilaisvinimo i metalo darbas yra didesnis nei ilaisvinimo i puslaidininkio darbas tai elektronai i puslaidininkio, kuriame Fermio lygmuo auktesnis, teka į metalą. Iėjus elektronams, susidaro nuskurdęs puslaidininkio sluoksnis, pasi˛ymintis didesne savitąja var˛a. Tarp puslaidininkyje likusių nesukompensuotų donorų jonų ir iėjusių į metalą elektronų susidaro vidinis elektrinis laukas, stabdantis elektronų judėjimą į metalą. Pusiausvyros sąlygomis metalo ir puslaidininkio Fermio lygmenys yra vienodi. Puslaidininkio sluoksnyje, kur veikia elektrinis laukas, energijos juostos ilinksta, ir kontakto tarp puslaidininkio ir metalo srityje susidaro potencialo barjeras, vadinamas otkio barjeru. Dėl juostų ilinkimo Fermio lygmuo priartėja prie puslaidininkio draud˛iamosios juostos vidurio arba net atsiduria ˛emiau draud˛iamosios juostos vidurio. Taigi, kai metalo ir n puslaidininkio sandūroje susidaro nuskurdintasis didelės var˛os u˛tvarinis sluoksnis arba net inversinis sluoksnis ir pn sandūra.

Metalo ir puslaidininkio sandūroje susidaręs u˛tvarinis sluoksnis pasi˛ymi ventilio savybėmis. Sandūros voltamperinės charakteristikos iraika sutampa su pn sandūros voltamperinės charakteristikos iraika. Tekant per metalo-puslaidininkio sandūrą su otkio barjeru tiesioginei srovei, nėra alutinių krūvininkų injekcijos ir kaupimo. Todėl puslaidininkiniai įtaisai, kuriuose panaudoti metalo-puslaidininkio kontaktai su otkio barjerais, pasi˛ymi geromis da˛ninėmis savybėmis ir didele veikimo sparta. Jeigu reikia nuslopinti ventilines metalo ir n puslaidininkio kontakto savybes ir gauti ma˛os var˛os ominį kontaktą, puslaidininkio sluoksnis po kontaktu papildomai legiruojamas donorinėmis priemaiomis.

Jeigu elektrono ilaisvinimo i metalo darbas ma˛esnis u˛ elektrono ilaisvinimo i n puslaidininkio darbą (), sandūroje susidaro antiu˛tvarinis puslaidininkio sluoksnis su padidinta pagrindinių krūvininkų koncentracija ir ma˛a var˛a.

Metalo ir p puslaidininkio kontakte nuskurdęs arba net u˛tvarinis sluoksnis susidaro, kai . Jeigu , sandūroje susidaro laidus praturtintasis sluoksnis.

MDP ir MOP darinių puslaidininkio pavirinį laidumą galima valdyti iorine įtampa. Kai prie MDP darinio metalinio elektrodo prijungiamas įtampos polius, kurio ˛enklas prieingas puslaidininkio pagrindinių krūvininkų ˛enklui, metalinis elektrodas traukia puslaidininkio pagrindinius krūvininkus. Tada prie puslaidininkio vidinio paviriaus padidėja pagrindinių krūvininkų koncentracija ir puslaidininkio pavirinio sluoksnio elektrinis laidumas. Veikiant prieingo polikumo iorinei įtampai, metalinio elektrodo krūvis stumia pagrindinius krūvininkus ir traukia alutinius krūvininkus. Tada prie vidinio puslaidininkio paviriaus susidaro ma˛esnio laidumo nuskurdintasis sluoksnis. Kai įtampa pasiekia slenkstinę, skylių ir elektronų koncentracijos puslaidininkio paviriuje susilygina, o pavirinis puslaidininkio laidumas tampa minimalus. Dar padidėjus įtampai, susidaro inversinis sluoksnis. Toliau kylant įtampai, io sluoksnio laidumas didėja. Krūvininkų koncentracijos ir puslaidininkio pavirinio laidumo kitimas, kintant statmenam puslaidininkio paviriui elektriniam laukui, vadinamas lauko efektu.

MDP darinys yra savotikas kondensatorius. Jo dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis kartu su puslaidininkio nuskurdintuoju sluoksniu. Nuskurdintojo sluoksnio storis priklauso nuo iorinės įtampos, todėl MDP darinio talpa taip pat priklauso nuo iorinės įtampos.

6. Kontroliniai klausimai ir u˛duotys

Kodėl svarbios metalo ir puslaidininkio sandūrų savybės?

Ką vadina termodinaminiu ilaisvinimo darbu?

Kokie procesai vyksta, sudarius metalo ir n puslaidininkio sandūrą, kai?

Sudarykite metalo ir n puslaidininkio energinę diagramą, kai .

Kai iorinė įtampa prijungiama prie metalo ir n puslaidininkio sandūros, kurioje yra u˛tvarinis sluoksnis, ir puslaidininkio potencialas pakyla, visi jo energijos lygmenys (pakyla, nusileid˛ia), pereinantieji i puslaidininkio į metalą elektronai sutinka (auktesnį, ˛emesnį) potencialo barjerą. Todėl įtampa, kurios neigiamas polius prijungtas prie metalo, o teigiamas – prie n puslaidininkio, yra (tiesioginė, atgalinė) metalo ir n puslaidininkio sandūros įtampa.

Jeigu tiesioginė metalo ir n puslaidininkio sandūros įtampa (suma˛ina, padidina) potencialo barjero auktį, (suma˛ina, padidina) nuskurdintojo sluoksnio storį ir turi įtakos elektronų srautui (i puslaidininkio į metalą, i metalo į puslaidininkį).

Kodėl, tekant tiesioginei srovei per otkio diodą, nesikaupia alutiniai krūvininkai?

Kokie procesai vyksta sudarius metalo ir n puslaidininkio sandūrą, kai?

Sudarykite metalo ir n puslaidininkio energinę diagramą, kai .

Kaip galima sudaryti ma˛os var˛os ominį aliuminio ir n silicio kontaktą?

Metalo-puslaidininkio-metalo darinyje panaudotas puslaidininkio sluoksnis, kurio skersmuo – 100 mm, storis – 2 mm, savitoji var˛a – 0,1 W m. Pirmojo metalo elektronų ilaisvinimo darbas – 1,4 eV, puslaidininkio – 1 eV, antrojo metalo – 0,6 eV. Sudarę darinio energijos lygmenų diagramą, nusakykite jo elektrines savybes. Apskaičiuokite, kokia srovė 290 K temperatūroje tekėtų per darinį, prijungus prie pirmojo metalinio elektrodo 0,5 V teigiamą įtampą antrojo metalinio elektrodo at˛vilgiu, jeigu ˛inoma, kad pakeitus įtampos polikumą teka 10 nA srovė.

Ats.: 6,1 mA.

Sudarykite nP darinio energijos lygmenų diagramą, kai puslaidininkių draud˛iamųjų juostų pločiai yra 0,7 ir 1,4 eV ir ir . Aptarkite potencialo barjerus sandūroje.

Sudarykite nN darinio energijos juostų diagramą, kai .

MOP darinyje panaudotas p puslaidininkis. Kokio polikumo įtampoms veikiant puslaidininkyje gali susidaryti praturtintasis, nuskurdintasis ir inversinis sluoksniai?

MOP darinyje panaudotas p puslaidininkis. Laikydami, kad elektronų ilaisvinimo darbai i metalo ir puslaidininkio vienodi, sudarykite io darinio energines diagramas, kai =0, <0 ir >0.

MOP darinio puslaidininkio nuskurdintojo sluoksnio storis priklauso nuo (metalinio elektrodo storio, iorinės įtampos, priemaių koncentracijos, per darinį tekančios srovės).

Pagrindinių krūvininkų koncentracija MOP darinio inversiniame sluoksnyje gali būti (nedidelė, labai didelė). Todėl inversinis sluoksnis (būna labai plonas, gali būti storas). Inversinio sluoksnio elektrinis laidumas (priklauso, nepriklauso) nuo iorinės įtampos.

Sudarykite MOP darinio ekvivalentinės grandinės schemą. Aptarkite nuo ko, kaip ir kodėl priklauso darinio talpa.

MOP darinyje panaudotas p silicio pagrindas, kuriame priemaių koncentracija – 10¹⁶ cm^–3. Oksido sluoksnio storis – 0,1 mm, santykinė dielektrinė skvarba – 4. Apskaičiuokite darinio ploto vieneto talpą, kai =–2 V, =1 Hz; =20 V, =1 Hz; =20 V, =1 MHz.

Ats.: 35; 35; 17,5 nF/cm².

5_sk_r.doc 2001.017 13:26 2001.10.18 13:02 2001.11.10

Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare

DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Vizualizari: 1694
Importanta:

Comenteaza documentul:

Te rugam sa te autentifici sau sa iti faci cont pentru a putea comenta

Creaza cont nou

Distribuie URL
https://www.scrigroup.com/limba/lituaniana/255/VAIRIALYTS-SANDROS-MDP-DARINIA23665.php

Adauga cod HTML in site
<a href="https://www.scrigroup.com/limba/lituaniana/255/VAIRIALYTS-SANDROS-MDP-DARINIA23665.php" target="_blank" title=" - https://www.scrigroup.com/limba/lituaniana/255/VAIRIALYTS-SANDROS-MDP-DARINIA23665.php">ĮVAIRIALYTĖS SANDŪROS. MDP DARINIAI</a>

ĮVAIRIALYTĖS SANDŪROS. MDP DARINIAI

elektra

DOCUMENTE SIMILARE

ĮVAIRIALYTĖS SANDŪROS. MDP DARINIAI

1. Metalo-puslaidininkio sandūros

1.1. Elektronų ilaisvinimo darbas

1.2. Reikiniai metalo ir puslaidininkio sandūrose

1.3. Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės

2. Įvairialytės sandūros

3. MDP dariniai

4. Paviriniai reikiniai

Ivados

6. Kontroliniai klausimai ir u˛duotys

DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Comenteaza documentul:

1.1. Elektronų ilaisvinimo darbas

1.2. Reikiniai metalo ir puslaidininkio sandūrose

4. Paviriniai reikiniai

Ivados